2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of hybrid wet type chemical decontamination technology of radioactively contaminated soil and water using ozone and cations
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20K05380
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
立花 優 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (40634928)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阿部 達雄 鶴岡工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (20390403)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | オゾン / 放射性核種 / 汚染土壌 / 粘土鉱物 / 腐食物質 / フミン酸 / イオン交換反応 / 除染技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
模擬放射性核種(Cs, Sr, I)を含む水溶液に黒ボク土を混合すると、Iを除く放射性核種が土壌中に取り込まれることがわかった。そこで、O3がCs, Sr, Iと黒ボク土との間の吸着脱離挙動に与える影響を調べた。その結果、O3処理後もIは黒ボク土に全く吸着しないことがわかった。この現象は黒ボク土に含まれる粘土鉱物が負に帯電していることに起因する。また、O3処理はCsとSrの土壌中への取り込みを抑制させることがわかった。さらに、Srの方が黒ボク土に取り込まれやすい傾向が見受けられた。黒ボク土には腐食物質が含まれており、腐食物質がより大きい電荷を持つSrを選択的に捕捉したと考えられる。黒ボク土への放射性核種の吸着能力、その他の元素に対する選択性を決定づけるのは、土壌中にどのような放射性核種吸着サイトがどの割合で存在しているかである。黒ぼく土は主に粘土鉱物と腐食物質から構成されており、粘土鉱物には少なくとも2種類、腐食物質には1種類以上の吸着サイトが存在する。そこで、Cs及びSrと腐食物質との間の吸着脱離挙動を把握するため、アルカリ金属元素(Li, Na, K, Rb, Cs)及びアルカリ土類金属元素(Mg, Ca, Sr, Ba)に対するフミン酸のイオン選択性を評価した。結果として、アルカリ金属イオンに対してはCs, Rb, K, Li, Naの順にイオン選択性が低下し、アルカリ土類金属に対するイオン選択性はBa > Sr ≒ Ca > Mgとなることがわかった。イオン半径が大きくなるにつれてイオン選択性が向上したことから、CsやSrとフミン酸が持つヒドロキシル基やカルボキシル基との間でイオン交換が起こることが示唆された。さらに、そこにO3処理を加えるとフミン酸からCsとSrが溶離することがわかった。O3がフミン酸のイオン交換基を分解したことが主な原因と考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年4月から2022年3月にかけて、「なぜO3は土壌中に取り込まれた放射性核種を水溶液側に移行させるのか?」という疑問を明らかにするための研究に取り組んでいる。初年度は反応系の全容を掴むため、オゾン発生装置を組み込んだ半回分式反応装置を用いて模擬放射性核種及び土壌試料の回収を一定時間毎に行い、回収した試料の定性定量分析や構造解析を中心に実施した。現在は、土壌成分は主に腐食物質と粘土鉱物に大別できるので、それらの既知の化学構造と比較し、O3がそれらの表面、粘土鉱物が持つ層間及びフレイド・エッジ・サイトをどのように変化させるのかについて調査している。腐食物質の構造解析にはFT-IR、NMR、及びXRF、粘土鉱物の層間構造解析にはXRDとNMRが有力なツールとなる。NMRは他大学の設備を使用するので、本年度の秋以降には測定可能となるように手続きを進めている。直近では、O3処理により腐食物質と粘土鉱物の構造が一部破壊されていることがわかったので、単位体積あたりに占めるフレイド・エッジ・サイトの割合を正確に見積もる必要が出てきた。結果として高度な実験技術が求められるが、独自の分析操作マニュアルを作成し見積結果に個人差が出ないように対応した。腐食物質と粘土鉱物の構造が壊れると有機酸, Fe, Al, Siなどが溶出することから、放射性核種を含む溶存化学種の配位環境も考慮しなければならない。溶存化学種の構造解析はUV-vis, NMR, そしてHypSpecソフトウェアを併用し独自に算出する計画である。並行して、研究分担者が最終年度に実施する生物化学的評価試験のための予備試験を行い、評価試験条件を修正する計画である。
以上により、多くの実験を引き続き行う必要があるが、実験手法のほとんどは確立済みであり、一定の研究成果も得られたことから、本年度の達成度としては区分(2)と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点において研究の推進方策に変更はない。粘土鉱物や腐食物質の表面、粘土鉱物が有する層間及びフレイド・エッジ・サイトをO3が如何にして変化させるのかを継続して調べる。粘土鉱物は絹雲母、イライト、及びバーミキュライトを使っている。また、腐食物質はフミン酸を使っている。これらの成分は放射性物質汚染土壌に多く含まれている。CsやSrと粘土鉱物との間の吸着脱離反応の理解には粘土鉱物の層間のイオン保持容量とフレイド・エッジ・サイトが粘土鉱物単位体積あたりに占める割合を正確に推定することが求められる。粘土鉱物表面や層間をCa2+、或いはチオ尿素銀イオンを使ってマスキングし、フレイド・エッジ・サイト量を推定し、O3処理前後の変化量を調査する。さらには、O3処理前後の粘土鉱物から得られる29Si-NMRスペクトルとICP-MS測定結果からSi/Al比の算出や構造解析を行い、粘土鉱物からのCsとSrの脱離機構を解明する。ここでは、FT-IR, XRF, XRD, SEMなども粘土鉱物の構造解析に活用する。ところで、フミン酸が持つカルボキシル基やヒドロキシル基などのイオン交換基の多くはNa, Mg, Ca形であり、CsやSrと容易くイオン交換する。また、O3処理前後におけるフミン酸の化学構造変化はイオン交換基の酸化分解と密接に関わっていた。つまり、イオン交換基を失ったフミン酸からNa, Mg, Caと共にCsやSrも水溶液中に放出したと考えられる。イオン交換基の減少割合やNMRを用いてフミン酸の詳細な構造変化を調べる必要がある。フミン酸にはFe, Si, Alなども含まれており、フミン酸からのCsとSrの溶離にもたらす影響も調べなければいけない。
2021年度末には粘土鉱物と腐食物質から得られた成果を統合し、O3処理により放射性核種がどのような機構で土壌から溶出するのかを理解できるように纏める。
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